[发明专利]一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置及方法

权利要求书

1.一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于由试验模块、光源模块、数据采集模块和控制模块构成；

所述试验模块包含有进水管、消能池、试验水槽、尾门、出水管、丁坝模型、定位器、蓄水池和水泵：进水管一侧通过水泵连接至蓄水池，进水管另一侧与消能池相连；消能池与试验水槽水体相互连通成一个整体；试验水槽前段与消能池连接成一个整体，后段通过尾门连接至出水管，试验水槽内部布置有多个丁坝模型；出水管前端通过尾门与试验水槽相连，出水管后端连接至蓄水池中；丁坝模型布置于试验水槽中；

光源模块由线阵列激光器、上侧激光标定复合板、滑轨、下侧激光标定复合板、滑轨支架、底部标定板组成：线阵列激光器与滑轨支架一并布置于滑轨上，用以形成线光源照射所需观察的水流纵断面；滑轨上部架设有线阵列激光器和相机支架，下部通过滑轨支架固定于试验水槽上方；上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板分别安装布置于试验水槽上下两侧的侧壁外侧上，底部标定板位于试验水槽底部壁面的外侧，

数据采集模块由上侧高速相机、下侧高速相机、相机支架、俯视高速相机、支架和水位计组成：水位计安装于消能池与试验水槽之间的水流平稳、水位恒定区段；相机支架上安装有俯视高速相机，相机支架根据输入指令可沿滑轨运动至预定位置，俯视高速相机观察记录试验水槽水平断面流速分布；上侧高速相机安放于试验水槽试验段外侧，在线阵列激光器照射下观察记录丁坝群上部区域纵断面流速分布特征；下侧高速相机与上侧高速相机原理布置相同且呈对称布置，用以补充观察记录上侧高速相机盲区范围内的纵断面流速分布；

控制模块接收上侧高速相机、下侧高速相机、俯视高速相机采集的图像信息和由水位计采集的水位信息；控制模块控制相机支架、线阵列激光器沿滑轨的运动情况；同时控制模块控制线阵列激光器的激光照明情况，控制上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板上面阵列激光器的照明情况，控制模块控制尾门决定开度大小进而控制试验水槽内的水位变化情况；控制模块通过控制水泵运转功率继而决定输入消能池的进水流量。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于：所述上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板为复合功能构件，在点激光器间区域绘制标准正方形方格形成正方形方格标定板，兼顾激光器和标定板作用。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于：所述丁坝模型以单个丁坝或丁坝群的形式布置于试验水槽中，丁坝模型在坝根位置通过定位器与试验水槽密闭连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于模拟丁坝对水流作用的试验装置，其特征在于：所述定位器一端固定至试验水槽下侧壁，另一端允许丁坝模型垂向插入并在设计角度将丁坝模型予以固定锁死。

5.根据权利要求1所述的用于模拟丁坝对水流作用的试验装置的试验方法，其特征在于方法如下：

a. 试验准备阶段

在试验开始前蓄水池中已准备好满足试验所需数量的水体，将示踪粒子人工撒入蓄水池中并搅拌均匀，使示踪粒子浓度满足激光照射下相机捕捉及后续软件分析需求；按照比尺需求设计试验并选择合适的丁坝模型，将试验所需数量的丁坝模型布置于试验段水池中，按照试验需求调整好各丁坝模型与试验水槽侧壁之间角度并采用定位器将丁坝模型予以固定锁死；结合试验对试验区水流的平稳程度要求情况，在消能池中布置消能构筑物，试验在暗室中进行；

b.基础试验操作过程

通过控制模块控制尾门开度大小及水泵运转流量大小，经消能池中消能构筑物消能后消能池中水流平顺流入试验水槽中，待水流输入稳定后即可开始试验，此时试验水槽中水流流量恒定，水位恒定，均达到此次试验设计值，在需要改变试验水位及流量时，仅需通过控制模块调节尾门开度大小及水泵抽取流量予以实现，其中，水位计实时将水位值反馈至控制模块，在进行完此试验过程后，作为教学实验即可在多角度下观察丁坝扰动下水体的运动情况及不同丁坝布置形式下水流宏观运动现象；

c．工况A试验过程：

此工况即为丁坝水流作用试验中水平断面流速分布试验精密试验过程，此时上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板均布置于预定位置，均无标定效果仅起光源作用，在控制模块控制下按照试验需求上侧激光标定复合板、下侧激光标定复合板上特定位置点激光器亮起，照射指定深度下的水体水平断面，通过两侧光源照射解决因丁坝布置遮掩产生的盲区、暗区无法观测捕捉的问题，在特定位置点激光器亮起形成特定行、特定列线光源照射水体水平断面即照射随水体运动的示踪粒子后，俯视高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的底部标定板，俯视高速相机根据指令以特定曝光时间、特定时间频率实时拍摄捕捉示踪粒子随水体运动情况，相机将捕捉画面经由控制模块外传至外接电子计算机，采用粒子图像测量技术进行实时分析处理，以示踪粒子为标定对象，精密捕捉记录水体中各处各点流速分布，实时反应水平断面流场分布情况，通过改变不同区域点激光器亮起位置，点激光器形成照射光束可照射不同的深度水体，即可通过相机记录捕捉不同深度下水平断面流场分布情况，详细分析丁坝水流作用试验中水平断面流速分布情况；

d．工况B试验过程：

工况B试验过程分为第一过程B1和第二过程B2，B1工况即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第一过程，此时上侧激光标定复合板拆除，外侧间隔一定距离处支架上安装布置上侧高速相机；下侧激光标定复合板保持原位置不变，线阵列激光器根据控制模块指令沿滑轨运动至指定位置后亮起，作为光源照射对应竖直水体断面；在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，上侧高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的下侧激光标定复合板，相机捕捉画面，通过改变线阵列激光器位置进而改变光源照射水体纵断面位置，上侧高速相机捕捉到断面范围中的不同竖直断面中水流流速分布情况；

工况B2试验过程即为丁坝水流作用试验中竖直断面流速分布试验精密试验第二过程，作为补充试验用以弥补工况B1中因丁坝遮掩产生的暗区、盲区内流场捕捉的不足，此时俯视高速相机拆除，下侧激光标定复合板拆除，外侧间隔一定距离处支架上安装下侧高速相机，上侧激光标定复合板安装至设计位置，线阵列激光器受控运动情况与工况B1一致，在光源照射水体竖直断面并照射随水体运动的示踪粒子后，下侧高速相机开始工作，曝光背景为绘制有阵列正方形的上侧激光标定复合板，相机捕捉画面，通过改变线阵列激光器位置进而改变照射位置获取工况B1中丁坝遮掩盲区内流场的捕捉情况，与工况B1获取试验结果共同比对分析得到完整的不同竖直断面中水流流速分布情况；

e.重复试验过程

根据试验需要设计并通过重复试验步骤a.b.c.d，即可得到不同设计水位、流量下，不同丁坝群布置形式下，不同丁坝淹没水深/非淹没条件下的丁坝水流作用情况，并通过高速相机拍照示踪粒子并连接外处理软件进而实时捕捉得到水体详细的水平、竖直断面流场分布情况，以便于后续详细记录及对比分析试验结果，

f.试验结束及器材整理

物理模型试验过程结束，关闭水泵，待消能池及试验水槽内水体沿出水管排入蓄水池后关闭尾门，拆除丁坝模型，整理试验器材，试验过程结束，

g．试验后处理

在现场试验完成的基础上，在设计丁坝模型布置情况下，在设计水位、流量下，通过分析工况A结果得到该试验变量下丁坝水流作用下所需水体水平断面流速分布，通过分析工况B结果得到该试验变量下丁坝水流作用下水体竖直断面流速分布情况。